關(guān)于《智能儀器設(shè)計》課堂及實踐教學(xué)探討
論文摘要：《智能儀器設(shè)計》是一門融合多項新技術(shù)、對實踐性要求高的課程，在對《智能儀器設(shè)計》課程和實踐教學(xué)改革中，在課程教學(xué)內(nèi)容組織上，以應(yīng)用需求組織教學(xué)內(nèi)容，更多地強調(diào)儀器智能化方面的知識，及由此涉及到的儀器新觀念、新器件、新技術(shù)的應(yīng)用。在教學(xué)方法上，以貫穿整個教學(xué)過程的設(shè)計型、綜合型大作業(yè)為主線，提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，并對考核方式進(jìn)行了改革和實踐。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，以基于單片機的智能儀器設(shè)計題目為主，同時增加虛擬儀器設(shè)計方面的題目，以提高學(xué)生的創(chuàng)造能力、動手能力和實踐技能，取得了良好的教學(xué)效果。
論文關(guān)鍵詞：智能儀器；教學(xué)實踐；教學(xué)改革
《智能儀器設(shè)計》是為測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)必修課，主要講授智能儀器的開發(fā)、設(shè)計方面的專業(yè)知識，是儀器儀表應(yīng)用、開發(fā)、生產(chǎn)單位及科研院所技術(shù)人員必備的專業(yè)知識。使學(xué)生了解、掌握智能儀表設(shè)計的原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、獨立分析解決實際問題的能力。該課程是一門融合多項新技術(shù)且對實踐性要求很高的核心課程。教學(xué)內(nèi)容分為課堂教學(xué)、課內(nèi)實驗及課程設(shè)計三部分。課堂教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，并與之前進(jìn)行的微機原理、單片機與嵌入式系統(tǒng)等教學(xué)內(nèi)容相互銜接，對該課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深化、延伸、補充，使學(xué)生加深對所學(xué)理論知識的理解，達(dá)到對教學(xué)內(nèi)容的熟練掌握。通過本課程的學(xué)習(xí)和實踐，可有效地提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。學(xué)生從課堂教學(xué)中學(xué)到的設(shè)計方法可以在實踐環(huán)節(jié)中加以檢驗和提高。從理論教學(xué)、設(shè)計題目任務(wù)的分析、方案設(shè)計、硬件設(shè)計及實現(xiàn)、編程環(huán)境的掌握、軟件設(shè)計直到調(diào)試運行，形成一個重實踐類課程教學(xué)體系。通過該課程的教學(xué)和實踐，既提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識，又為畢業(yè)設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。為不斷提高課程的教學(xué)質(zhì)量，我們在教學(xué)研究與實踐中，不斷總結(jié)經(jīng)驗，在課堂教學(xué)、實驗、課程設(shè)計及成績考核等具體環(huán)節(jié)中采取了一些有效措施，取得了較好的效果。
一、課堂教學(xué)內(nèi)容體系及教學(xué)方法改革
課堂教學(xué)內(nèi)容與先修課程微機原理、單片機與嵌入式系統(tǒng)相銜接，主要講授：數(shù)據(jù)采集技術(shù)、模擬量與控制信號輸出技術(shù)、人機接口技術(shù)、通信接口技術(shù)、數(shù)字濾波方法、誤差校正和量程自動切換等數(shù)據(jù)處理算法、智能儀器的軟件結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計方法、儀器自檢與抗干擾技術(shù)及其他常用的提高儀器儀表可靠性的硬軟件設(shè)計方法等。
1.以應(yīng)用為主線結(jié)合大作業(yè)組織教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)過程中，為強調(diào)儀器儀表的整體概念，以大作業(yè)形式給出若干儀表設(shè)計的實際案例，結(jié)合課堂教學(xué)的不同階段，分模塊設(shè)計完成。大作業(yè)包括：自動供水系統(tǒng)設(shè)計、多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計、電參數(shù)測量儀表設(shè)計等。以電參數(shù)綜合測量儀為例，首先明確測量儀的功能和技術(shù)指標(biāo)，由此得到測量儀的整體構(gòu)成框圖，設(shè)計則結(jié)合授課章節(jié)分階段完成，電參數(shù)綜合測量儀可分為：信號調(diào)理部分、多路A/D采樣、人機接口、通信接口、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換與數(shù)據(jù)計算處理、量程自動切換、抗干擾技術(shù)等。每個模塊均有多種設(shè)計方案或算法可供選擇，教學(xué)中對學(xué)生完成的幾種典型方案或算法進(jìn)行分析，比較其優(yōu)缺點及設(shè)計方案的合理性，使學(xué)生能從工程化的角度理解和掌握課堂講授的理論和設(shè)計方法。這樣，既可使學(xué)生掌握每個環(huán)節(jié)的設(shè)計方法，也使其了解一個實際工程化的儀器儀表功能要求的多樣性和實現(xiàn)的復(fù)雜性。
2.強化儀器儀表智能化及相關(guān)新技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容。課堂教學(xué)中，除介紹智能儀器可以自動選擇量程、自動存儲測量結(jié)果、顯示/打印、自校準(zhǔn)、自診斷等初級智能外，加強了具有更高層次智能水平儀器方面的知識，如：分析、判斷、推理、學(xué)習(xí)等在智能儀器中的實現(xiàn)。同時，將模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等方面的知識引入到智能儀器設(shè)計。結(jié)合火電廠的一些控制設(shè)備，介紹智能控制方面知識的應(yīng)用，如：模糊控制、專家控制、自適應(yīng)控制等。智能儀器的發(fā)展與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)密切相關(guān)，因此教學(xué)中也應(yīng)關(guān)注與儀器儀表有關(guān)的新理論和新技術(shù)及其發(fā)展動向。包括現(xiàn)代傳感技術(shù)、新型元器件及智能芯片、可編程器件、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)等。如通信部分，除介紹常規(guī)的RS232/422/485、GP-IB通信接口外，還介紹USB通用串行總線、以太網(wǎng)接口技術(shù)、現(xiàn)場總線（CAN、HART、Profi_bus等）、藍(lán)牙接口技術(shù)等內(nèi)容，利用Internet、GSM/GPRS等公共網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)儀器儀表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸方法。微處理器芯片部分除介紹單片機外，也講解DSP、ARM、SoC等作為嵌入式CPU用于智能儀器的設(shè)計方法。另外，結(jié)合火電廠熱工參數(shù)的測量，介紹軟測量技術(shù)等新的測量方法及其應(yīng)用。
3.課內(nèi)設(shè)計型、綜合型實驗教學(xué)內(nèi)容。課內(nèi)實驗設(shè)置要注意兩個方面的問題，一是學(xué)時少，二是要避免實驗內(nèi)容與先修課程重復(fù)。因此我們將課內(nèi)實驗與大作業(yè)相結(jié)合，如要求設(shè)計一個配用熱電偶的溫度測量智能儀表，對毫伏級電壓信號進(jìn)行定時采集，設(shè)計信號調(diào)理、多通道采集、人機接口等硬件電路，并綜合運用數(shù)字濾波、非線性特性線性化、零點及量程自動校正、標(biāo)度變換等技術(shù)，實時計算顯示出溫度測量值。將其中更有助于智能儀器概念理解部分中的硬、軟件由學(xué)生設(shè)計實現(xiàn)方案，自主選擇芯片，用Protel畫出硬件部分原理圖，軟件部分用Visio畫出程序流程圖。將設(shè)計方案與智能儀器實驗箱及實訓(xùn)模塊所采用的方案相比較，分析自己設(shè)計方案存在的問題及優(yōu)缺點，并進(jìn)行改進(jìn)。最后用匯編或C51編寫程序，并利用實驗學(xué)時在實驗裝置上進(jìn)行調(diào)試。實驗報告內(nèi)容包括設(shè)計方案說明、硬件原理圖、軟件流程圖及主要程序清單。
二、課程設(shè)計實踐教學(xué)內(nèi)容組織及改革
1.課程設(shè)計內(nèi)容。本課程設(shè)計學(xué)生要利用單片機開發(fā)系統(tǒng)、實訓(xùn)擴展模塊及所需的芯片和元器件完成一項設(shè)計任務(wù)，也可以利用虛擬儀器實驗平臺設(shè)計開發(fā)智能儀器或結(jié)合大學(xué)生科技創(chuàng)新項目、參加教師科研工作選擇設(shè)計題目。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，并考慮到學(xué)生個體之間的差異，總結(jié)多年實踐教學(xué)中的經(jīng)驗，我們在以下幾個方面對設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行了改革：設(shè)計題目的形式：《智能儀器設(shè)計》課程設(shè)計所涉及的內(nèi)容包括測控技術(shù)與儀器專業(yè)主要的專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課，如：智能儀器設(shè)計、單片機與嵌入式系統(tǒng)、微機原理、測量儀表、數(shù)字信號處理、電路、電子技術(shù)基礎(chǔ)等。為了提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識分析問題和解決問題的能力，在題目形式的選擇上，我們重點突出了設(shè)計內(nèi)容的綜合性、完成設(shè)計任務(wù)時方法的靈活性和創(chuàng)造性。給出的設(shè)計題目大部分包括：信號調(diào)理電路的設(shè)計、輸入/輸出通道的設(shè)計和軟件設(shè)計，并且要在實驗裝置的基礎(chǔ)上由學(xué)生自己動手實現(xiàn)信號調(diào)理電路，完成硬、軟件功能的調(diào)試。鑒于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，并相應(yīng)開設(shè)了選修課，設(shè)計題目中增加了利用虛擬儀器實驗平臺設(shè)計開發(fā)智能儀器的內(nèi)容，學(xué)生可以利用LabVIEW軟件及相應(yīng)信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集模塊來完成，如：環(huán)境參數(shù)檢測、振動信號分析、無損檢測、距離與位移檢測、環(huán)形輸送線檢測與控制、電參數(shù)綜合檢測及質(zhì)量分析等設(shè)計任務(wù)。設(shè)計題目的難易程度：為了使不同的學(xué)生均得到一次完整的鍛煉機會，在題目的難易程度的選擇上，我們將題目分成了難、中、易三類。難題是指涉及內(nèi)容多、綜合性強的設(shè)計題目，如：設(shè)計中包括信號調(diào)理電路的設(shè)計、A/D通道設(shè)計、數(shù)字濾波、非線性特性線性化、標(biāo)度變換、人機接口設(shè)計等。設(shè)計題目中多數(shù)是中等難度的題，如在上述內(nèi)容中去掉數(shù)字濾波或非線性特性線性化等要求。設(shè)計題目中也有少量較容易做的題，這類題在內(nèi)容上只是完成了智能儀表的某一部分功能，如：鍵盤/顯示設(shè)計、時鐘設(shè)計、數(shù)字I/O等。這樣，學(xué)習(xí)成績較落后的同學(xué)可以做相對容易、功能固定的設(shè)計題目，而成績較好且動手能力強的同學(xué)可以做難度高、功能靈活且具有創(chuàng)造性的題目，盡可能發(fā)揮每個學(xué)生的主動性，使各種學(xué)生都能得到最大的鍛煉，達(dá)到最好的教學(xué)效果。設(shè)計完成的最終結(jié)果：課程設(shè)計不僅要求學(xué)生按照選定的題目完成設(shè)計任務(wù)，而且要包括對開發(fā)系統(tǒng)、實驗系統(tǒng)及編程語言的掌握。設(shè)計方案既要考慮功能的實現(xiàn)、實現(xiàn)方法、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、選用元器件的合理性、運行結(jié)果的正確性，也要考慮測量的準(zhǔn)確度、可靠性、可移植性及參數(shù)調(diào)整的方便程度。如：題目中需要設(shè)計電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，設(shè)計方案有直接采用標(biāo)準(zhǔn)電阻、采用運算放大器的簡單電路及考慮調(diào)零調(diào)量程的實用電路等。設(shè)計方案直接反映了學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力。最終完成的課程設(shè)計報告應(yīng)包括總體方案、軟硬件功能分配、硬件原理圖、軟件流程圖、調(diào)試結(jié)果結(jié)論，并附程序源代碼。報告的書寫可以培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)和論述能力，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。
2.輔導(dǎo)方式。指導(dǎo)教師給出若干設(shè)計題目后，由學(xué)生自主選擇，受實驗設(shè)備數(shù)量的限制，一般需2名同學(xué)共用一套設(shè)備。指導(dǎo)教師在布置設(shè)計任務(wù)時，主要介紹應(yīng)完成的功能和要求，而實現(xiàn)方法可以有多種，由學(xué)生自己選擇。對學(xué)生的指導(dǎo)也以提示性為主，鼓勵學(xué)生自己查閱有關(guān)資料，結(jié)合已學(xué)知識分析給定的設(shè)計任務(wù)，并最終完成課程設(shè)計。仍以前面提到的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路為例，一部分同學(xué)開始想到的是電子技術(shù)基礎(chǔ)中學(xué)過的簡單的放大電路，沒有與測量儀表或智能儀表中學(xué)過的知識結(jié)合，針對這種情況，指導(dǎo)教師提示同學(xué)測量電路應(yīng)具有調(diào)零及調(diào)量程的功能來引導(dǎo)同學(xué)查閱資料設(shè)計出合適的電路。
三、考核方法改革
作為一門測控技術(shù)與儀器專業(yè)必修課，采用傳統(tǒng)的閉卷考試方法對學(xué)生進(jìn)行考核存在一定的弊端，不適應(yīng)于發(fā)展快、綜合性應(yīng)用性強的儀器儀表學(xué)科。為此，我們進(jìn)行了一些有益的探索。首先，結(jié)合大作業(yè)突出對學(xué)生靈活運用所學(xué)知識、分析解決實際問題能力的考核，再進(jìn)行結(jié)課開卷考試，二者結(jié)合評定課程成績。答辯是為了檢查學(xué)生是否完成了設(shè)計任務(wù)，以及對有關(guān)知識的掌握情況。答辯是結(jié)合設(shè)計過程中遇到的主要問題進(jìn)行思考，首先由學(xué)生針對設(shè)計任務(wù)介紹自己的設(shè)計思路、遇到的問題及最終解決問題的方法，然后教師針對設(shè)計中的錯誤和不足等進(jìn)行提問。課程設(shè)計的成績采用四級評分（優(yōu)秀、良好、及格和不及格）。成績的評定主要考慮學(xué)生在設(shè)計過程中的獨立工作能力、設(shè)計題目的難易程度、完成的質(zhì)量、答辯情況、報告的書寫及平時表現(xiàn)等幾個方面，特別要注意學(xué)生獨立進(jìn)行工程技術(shù)工作的能力、動手能力和創(chuàng)新精神，使其能真正反映學(xué)生的真實水平。
通過對《智能儀器設(shè)計》課堂教學(xué)及實踐教學(xué)的研究和探討，確立了以應(yīng)用需求組織教學(xué)內(nèi)容的方案，更多地強調(diào)儀器智能化方面的知識及由此涉及到的儀器新觀念、新器件、新技術(shù)的應(yīng)用。在教學(xué)方法上，以貫穿整個教學(xué)過程的設(shè)計型、綜合型大作業(yè)為主線，提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，并對考核方式進(jìn)行了改革和實踐。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，以基于單片機的智能儀器設(shè)計題目為主，同時增加虛擬儀器設(shè)計方面的題目，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)和設(shè)計興趣，提高了學(xué)生動手實踐的主動性，更客觀地評價了學(xué)生自身的能力。為培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力，提高創(chuàng)新能力等方面起到了很好的作用。
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